蔡博武，廖 菲，楊 軍

（武漢大學(xué) 電氣與自動(dòng)化學(xué)院，武漢430072）

0 引言

近年來，隨著風(fēng)電、光伏等新能源的不斷接入，電力系統(tǒng)面臨源-荷雙重不確定性的挑戰(zhàn)［1—2］，造成電力系統(tǒng)呈現(xiàn)顯著的“雙峰雙高”等特性［3—4］，這對(duì)系統(tǒng)的充裕性提出了更高的要求，電動(dòng)汽車（electric vehicle，EV）、溫控負(fù)荷等靈活性需求側(cè)資源可在短期內(nèi)主動(dòng)調(diào)節(jié)用電，經(jīng)聚合商統(tǒng)一調(diào)配，可成為潛力巨大的輔助服務(wù)提供方［5］，緩解供需失衡，具有良好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

目前國(guó)內(nèi)外針對(duì)客戶側(cè)靈活負(fù)荷參與電力輔助服務(wù)市場(chǎng)方面做了大量研究。文獻(xiàn)［6］考慮負(fù)荷聚合商參與電力系統(tǒng)調(diào)度，構(gòu)建基于雙層優(yōu)化的可削減負(fù)荷的調(diào)度模型，有利于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)利益最大化。文獻(xiàn)［7］考慮負(fù)荷聚合商，對(duì)電力網(wǎng)絡(luò)潮流的影響，建立配電網(wǎng)雙層優(yōu)化調(diào)度模型，保證了電力系統(tǒng)運(yùn)行的安全穩(wěn)定。文獻(xiàn)［8］建立負(fù)荷聚合商參與市場(chǎng)投標(biāo)與用戶側(cè)調(diào)度的雙向決策模型，保證了負(fù)荷聚合商的經(jīng)濟(jì)利益。這些文獻(xiàn)僅從電網(wǎng)調(diào)度成本最低或負(fù)荷聚合商收益最大的角度來考慮，未考慮用戶滿意度對(duì)電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)度造成的影響。而文獻(xiàn)［9］從用戶角度出發(fā)，考慮用戶的出行便利性和充放電經(jīng)濟(jì)性，提出了最大化用戶滿意度的電動(dòng)汽車充放電優(yōu)化策略，鼓勵(lì)用戶參與削峰填谷。文獻(xiàn)［10］基于用戶滿意度的前提，利用電動(dòng)汽車對(duì)新能源進(jìn)行消納，降低了微網(wǎng)運(yùn)行的成本。然而上述文獻(xiàn)僅側(cè)重電動(dòng)汽車的調(diào)度安排，未提供明確的電動(dòng)汽車參與輔助服務(wù)市場(chǎng)的交易方式。

針對(duì)以上問題，本文提出了一種貼近用戶側(cè)實(shí)際情況、考慮用戶滿意度的靈活負(fù)荷聚合參與日前調(diào)峰市場(chǎng)調(diào)度策略。首先設(shè)計(jì)了電動(dòng)汽車、電采暖等靈活負(fù)荷參與電力調(diào)峰市場(chǎng)的框架；其次建立靈活負(fù)荷聚合商參與日前調(diào)峰市場(chǎng)調(diào)度和用戶側(cè)負(fù)荷調(diào)度雙層模型；最后，針對(duì)我國(guó)某市的數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真驗(yàn)證和經(jīng)濟(jì)性分析，驗(yàn)證了本文所提方法的有效性和正確性。

1 靈活負(fù)荷聚合參與日前調(diào)峰市場(chǎng)框架

本文結(jié)合我國(guó)電力交易的實(shí)際情況以及未來省內(nèi)電力輔助服務(wù)市場(chǎng)的發(fā)展方向，提出了靈活負(fù)荷聚合參與日前調(diào)峰市場(chǎng)的運(yùn)營(yíng)模式，運(yùn)營(yíng)框架如圖1所示。

圖1 調(diào)峰市場(chǎng)框架Fig.1 Peaking market

首先，電力調(diào)度中心組織靈活負(fù)荷聚合商和火電機(jī)組等參與調(diào)峰市場(chǎng)，申報(bào)96時(shí)段可調(diào)度容量以及補(bǔ)償價(jià)格量報(bào)價(jià)。然后，經(jīng)由電力調(diào)度中心，集中競(jìng)價(jià)、統(tǒng)一出清。調(diào)度中心根據(jù)市場(chǎng)運(yùn)營(yíng)規(guī)則，以購(gòu)買調(diào)峰服務(wù)成本最小為目標(biāo)按照?qǐng)?bào)價(jià)從低到高的原則調(diào)用負(fù)荷聚合商和火電調(diào)峰機(jī)組，直至滿足出清時(shí)段調(diào)峰需求，完成市場(chǎng)交易出清。最后，電力交易中心根據(jù)各負(fù)荷聚合商與火電機(jī)組的中標(biāo)容量及中標(biāo)價(jià)格，進(jìn)行出清結(jié)算。

2 日前調(diào)峰市場(chǎng)出清建模

2.1 目標(biāo)函數(shù)

本文綜合考慮各靈活負(fù)荷聚合商和火電機(jī)組的可調(diào)度能力及補(bǔ)償價(jià)格，以系統(tǒng)運(yùn)行成本最小化為目標(biāo)，目標(biāo)函數(shù)可表示為

式中:Pt,j為t時(shí)段負(fù)荷聚合商j申報(bào)的容量；aj和bj分別為報(bào)價(jià)系數(shù)。

火電機(jī)組在有償調(diào)峰基準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，采用負(fù)荷率分檔報(bào)價(jià)。市場(chǎng)初期，對(duì)每檔申報(bào)價(jià)格設(shè)置價(jià)格上限和下限，報(bào)價(jià)規(guī)則如表1。

表1 報(bào)價(jià)規(guī)則Table 1 Quotation rules

2.2 約束條件

（4）容量偏差約束

由于對(duì)負(fù)荷聚合商的調(diào)度屬于間調(diào)電網(wǎng)調(diào)度中心需要考慮負(fù)荷聚合商實(shí)際響應(yīng)能力，根據(jù)各負(fù)荷聚合商的歷史中標(biāo)數(shù)據(jù)以及歷史實(shí)際出力數(shù)據(jù)，確定各負(fù)荷聚合商的誠(chéng)信度，保證電網(wǎng)的調(diào)度容量在一定的偏差內(nèi)，不會(huì)影響電網(wǎng)的安全運(yùn)行。

3 負(fù)荷聚合商調(diào)度模型

3.1 目標(biāo)函數(shù)

負(fù)荷聚合商與用戶簽訂合同后，需要進(jìn)行合同的組合優(yōu)化以最小化需求響應(yīng)資源的購(gòu)買成本。負(fù)荷聚合商側(cè)調(diào)度計(jì)劃決策的目標(biāo)函數(shù)為

式中:Nk為負(fù)荷聚合商簽約的用戶數(shù)目；At,k為負(fù)荷聚合商第k個(gè)用戶在t時(shí)段申請(qǐng)的補(bǔ)償價(jià)格；Pt,k為負(fù)荷聚合商第k個(gè)用戶在t時(shí)段中標(biāo)的削減量；ut,k為第k個(gè)用戶在t時(shí)段是否參與輔助服務(wù)，ut,k=1表示其參與輔助服務(wù)，ut,k=0 表示其不參與輔助服務(wù)。

3.2 約束條件

式中:Mk為負(fù)荷聚合商第k個(gè)用戶合同的每日最大允許中斷次數(shù)。

（4）用戶滿意度約束

負(fù)荷聚合商需要考慮用戶的調(diào)度意愿，為了保證調(diào)度的可靠性，提高用戶服從調(diào)度的積極性，建立用戶的滿意度［12］，當(dāng)用戶滿意度符合要求時(shí)，才進(jìn)行調(diào)度安排。

4 雙層模型求解

在本文建立的雙層優(yōu)化模型中，日前調(diào)度的負(fù)荷聚合商中標(biāo)量作為已知量向下傳遞，隨后負(fù)荷聚合商根據(jù)中標(biāo)容量進(jìn)行下層用戶側(cè)負(fù)荷調(diào)度安排。日前調(diào)峰市場(chǎng)調(diào)度模型的求解流程如圖2 所示，雙層調(diào)度模型采用MATLAB軟件和CPLEX商業(yè)求解器進(jìn)行求解。

圖2 日前調(diào)峰市場(chǎng)調(diào)度模型的求解流程Fig.2 Solution process for day-ahead peak market scheduling model

5 算例分析

5.1 算例參數(shù)

本文以某省市2021 年1 月冬季典型日的電網(wǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)為研究對(duì)象，分析靈活負(fù)荷聚合參與調(diào)峰輔助服務(wù)。

假定該區(qū)域內(nèi)有1 000輛電動(dòng)汽車，均為同款車型，電動(dòng)汽車電池容量為60 kWh，充電功率為30 kW，耗電功率為10 kWh，充放電效率均為95%；區(qū)域內(nèi)有10個(gè)充電站，每個(gè)充電站配置150個(gè)40 kW直流充電樁。假定該區(qū)域用戶側(cè)儲(chǔ)能數(shù)量為1 000，儲(chǔ)能額定容量為30 kWh，額定功率為5 kW，充放電效率為90%，假設(shè)該地區(qū)冬季供熱期間由集中蓄熱式電采暖承擔(dān)供熱任務(wù)，供熱面積為40萬/m2，地區(qū)的供熱量指標(biāo)為35 W/m2，計(jì)算出該地區(qū)的供熱負(fù)荷為14 MW，該區(qū)域當(dāng)日參與調(diào)峰市場(chǎng)的火電機(jī)組申報(bào)情況如表2所示。

表2 調(diào)峰機(jī)組情況Table 2 Peaking unit information

以某省市典型冬季雙峰工作日進(jìn)行預(yù)測(cè)，以24 h為一個(gè)周期調(diào)度，每15 min 為一次市場(chǎng)調(diào)度出清時(shí)段，系統(tǒng)96 點(diǎn)負(fù)荷曲線如圖3 所示，為保證電網(wǎng)的安全穩(wěn)定，該日的調(diào)峰需求如圖4 所示。假設(shè)調(diào)度中心允許的容量偏差δ為10%，當(dāng)且僅當(dāng)對(duì)負(fù)荷聚合商的調(diào)度偏差在10%以內(nèi)，才算調(diào)度成功。

圖3 日基礎(chǔ)負(fù)荷曲線Fig.3 Daily load curve

圖4 日調(diào)峰需求Fig.4 Daily peaking demand

電網(wǎng)調(diào)度機(jī)構(gòu)在調(diào)峰輔助服務(wù)平臺(tái)發(fā)布日前電網(wǎng)需要調(diào)峰的調(diào)度時(shí)段和調(diào)度容量，各負(fù)荷聚合商與發(fā)電機(jī)組在日前申報(bào)可調(diào)度的容量和時(shí)段，各負(fù)荷聚合商與發(fā)電機(jī)組申報(bào)信息如圖5和圖6所示。

圖5 各主體申報(bào)容量Fig.5 Each subject declaration capacity

圖6 各主體申報(bào)價(jià)格Fig.6 Each subject declaration price

假定電動(dòng)汽車聚合商聚合了10類合同，將有相似出行習(xí)慣的電動(dòng)汽車用戶聚合在一類合同中，具體簽約信息如表3所示。

由表3可知，不同用戶的可調(diào)度容量不同，總的中斷時(shí)長(zhǎng)也有長(zhǎng)有短，要求的補(bǔ)償價(jià)格也不同，為滿足調(diào)度費(fèi)用最小，對(duì)用戶的調(diào)度進(jìn)行優(yōu)化安排。設(shè)置用戶意愿度為10%，通過設(shè)置3個(gè)場(chǎng)景對(duì)比研究考慮聚合商容量允許偏差和用戶滿意度對(duì)系統(tǒng)調(diào)度的影響，場(chǎng)景1不考慮靈活負(fù)荷聚合商參與調(diào)峰市場(chǎng)，場(chǎng)景2不考慮聚合商誠(chéng)信度和用戶滿意度對(duì)調(diào)度結(jié)果的影響，場(chǎng)景3考慮聚合商誠(chéng)信度和用戶滿意度進(jìn)行調(diào)度，聚合商各個(gè)時(shí)刻誠(chéng)信度如表4所示。

表3 用戶合同信息Table 3 User’s contract information

表4 負(fù)荷聚合商某時(shí)段誠(chéng)信度Table4 Integrityofloadaggregatorinacertainperiodoftime

5.2 算例結(jié)果分析

（1）場(chǎng)景1:靈活負(fù)荷聚合商不參與調(diào)峰市場(chǎng)

圖7 為場(chǎng)景1 中各機(jī)組的調(diào)度安排，所有的調(diào)峰機(jī)組都有不同程度的調(diào)度情況，當(dāng)調(diào)峰需求較大時(shí)，需要啟用較多機(jī)組進(jìn)行電能供給和調(diào)整，這將會(huì)造成高額啟停費(fèi)用，影響系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

圖7 調(diào)峰機(jī)組調(diào)度計(jì)劃Fig.7 Peaking unit scheduling plan

（2）場(chǎng)景2:靈活負(fù)荷聚合商參與調(diào)峰市場(chǎng)

圖8 為場(chǎng)景2 中各機(jī)組的調(diào)度安排，優(yōu)先調(diào)用靈活負(fù)荷聚合商，面對(duì)調(diào)峰需求較大時(shí)，才需要啟用火電機(jī)組進(jìn)行電能的供給與調(diào)整，這忽略了用戶調(diào)度的不確定性，影響系統(tǒng)安全運(yùn)行。

圖8 調(diào)峰出清結(jié)果Fig.8 Peaking clearing results

（3）場(chǎng)景3:考慮聚合商誠(chéng)信度與用戶滿意度的調(diào)峰市場(chǎng)優(yōu)化

圖9 為場(chǎng)景3 中各負(fù)荷聚合商和火電機(jī)組各時(shí)段的中標(biāo)容量，考慮負(fù)荷聚合商誠(chéng)信度與用戶滿意度后，火電機(jī)組的調(diào)度更加頻繁，靈活負(fù)荷聚合商僅在誠(chéng)信度較高時(shí)刻參與市場(chǎng)，考慮了用戶調(diào)度的實(shí)際情況，保障了系統(tǒng)調(diào)度的安全可靠性。

圖9 調(diào)峰出清結(jié)果Fig.9 Peaking clearing results

（4）電動(dòng)汽車聚合商對(duì)用戶的調(diào)度結(jié)果分析

求解得出對(duì)用戶的經(jīng)濟(jì)調(diào)度結(jié)果，各用戶中標(biāo)容量情況如圖10所示。

由圖10可知每個(gè)用戶在不同時(shí)段均有出力，整體的調(diào)度滿足電網(wǎng)的調(diào)度需求，符合經(jīng)濟(jì)性要求，且達(dá)到用戶的調(diào)度滿意度。

圖10 用戶調(diào)度計(jì)劃Fig.10 User scheduling plan

（5）對(duì)比分析

負(fù)荷聚合商參與調(diào)峰輔助服務(wù)后，可以看到系統(tǒng)整體負(fù)荷曲線的峰谷差得到一定程度的改善。電網(wǎng)負(fù)荷曲線如圖11所示。

圖11 電網(wǎng)負(fù)荷曲線Fig.11 Power grid load curves

電網(wǎng)對(duì)負(fù)荷聚集商與火電機(jī)組的各情景調(diào)峰補(bǔ)償費(fèi)用如表5所示，減少了購(gòu)買的調(diào)峰成本，靈活負(fù)荷聚合商的參與彌補(bǔ)了調(diào)峰火電機(jī)組的啟停成本，優(yōu)化了系統(tǒng)調(diào)峰調(diào)度的經(jīng)濟(jì)性，充分挖掘了負(fù)荷側(cè)削峰填谷的能力。

表5 調(diào)峰補(bǔ)償費(fèi)用Table 5 Peaking compensation costs元

6 結(jié)論

本文考慮聚合商誠(chéng)信度和用戶滿意度，建立靈活負(fù)荷聚合商參與日前調(diào)峰市場(chǎng)調(diào)度和用戶側(cè)負(fù)荷調(diào)度雙層模型。得出以下結(jié)論:

（1）有效調(diào)度用戶側(cè)靈活負(fù)荷參與電力市場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)負(fù)荷的削峰填谷，降低了負(fù)荷曲線峰谷差值，緩解了大量負(fù)荷并網(wǎng)或新能源發(fā)電并網(wǎng)的壓力，維護(hù)了電網(wǎng)的安全穩(wěn)定。

（2）考慮用戶滿意度與電網(wǎng)容量偏差，在調(diào)度成本未明顯變化的情況下，提高火電機(jī)組調(diào)用頻率，更加貼合實(shí)際情況，對(duì)系統(tǒng)發(fā)電側(cè)和用戶側(cè)均有益處，保證了社會(huì)效益。

（3）對(duì)于用戶而言，補(bǔ)償價(jià)格與用戶的滿意度息息相關(guān)，補(bǔ)償價(jià)格高會(huì)使用戶滿意度較高，出力更加穩(wěn)定，但是價(jià)格過高會(huì)使負(fù)荷聚合商虧損，所以負(fù)荷聚合商對(duì)用戶的補(bǔ)償價(jià)格的設(shè)定還有待進(jìn)一步討論。D